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第1章 计算机系统结构的基本概念1

1.1 概述1

1.2 计算机系统结构的定义与内涵3

1.2.1 计算机系统的层次结构3

1.2.2 计算机系统结构的定义与内涵4

1.2.3 计算机系统的组成与实现5

1.3 计算机系统结构的类型6

1.3.1 按“流”分类7

1.3.2 按“并行级”和“流水线”分类8

1.3.3 冯氏分类法9

1.4 计算机系统性能分析10

1.4.1 定量分析法10

1.4.2 CPU性能分析11

1.4.3 MIPS与MFLOPS指标12

1.4.4 性能测试结果的统计与比较13

1.5 计算机系统结构的发展过程15

1.5.1 计算机系统结构的演变过程15

1.5.2 软件对计算机系统结构发展的影响17

1.5.3 应用需求对计算机系统结构发展的影响21

1.5.4 器件对计算机系统结构发展的影响22

1.5.5 算法对计算机系统结构发展的影响23

1.6 计算机系统的成本、性能与价格24

1.6.1 计算机系统的成本与价格24

1.6.2 计算机系统的性能与价格25

习题与思考题26

第2章 数据的表示与指令系统设计28

2.1 数据的类型与表示28

2.1.1 数据类型28

2.1.2 数据表示29

2.1.3 定点数与浮点数30

2.1.4 向量数据表示33

2.1.5 自定义数据表示34

2.2 指令系统设计36

2.2.1 指令系统的发展及其风格36

2.2.2 指令系统的设计要求与分类38

2.2.3 地址分配与寻址方式40

2.2.4 按内容寻址方式43

2.2.5 指令格式与优化设计45

2.2.6 指令系统结构举例48

2.3 CISC计算机和RISC计算机50

2.3.1 CISC计算机的特点与风格50

2.3.2 RISC计算机的特点与风格52

2.3.3 CISC计算机和RISC计算机性能比较53

2.3.4 RISC计算机中的新技术55

2.3.5 RISC计算机指令系统实例分析58

习题与思考题59

第3章 存储器体系结构61

3.1 概述61

3.1.1 存储器的层次结构61

3.1.2 基本概念与性能参数62

3.1.3 多体并行存储器63

3.1.4 磁盘阵列65

3.2 高速缓冲存储器Cache69

3.2.1 Cache的基本概念69

3.2.2 Cache的组成与工作原理69

3.2.3 地址映像与变换70

3.2.4 Cache置换策略与主存更新方法74

3.2.5 Cache性能分析78

3.3 虚拟存储器80

3.3.1 虚拟存储器的基本概念80

3.3.2 虚拟存储器的管理方式82

3.3.3 虚拟地址快速变换法86

3.3.4 置换策略87

3.3.5 虚拟存储器管理举例88

3.4 存储器保护措施91

习题与思考题93

第4章 标量流水线技术95

4.1 概述95

4.1.1 控制流及其改变95

4.1.2 程序执行过程中的重叠操作与先行控制96

4.2 标量流水线工作原理98

4.2.1 标量流水线工作原理98

4.2.2 标量流水线分类99

4.2.3 流水线性能分析100

4.2.4 流水线中的主要障碍103

4.2.5 流水线的实现与控制109

4.2.6 流水线的动态调度111

4.3 指令级流水线115

4.3.1 指令级流水线概述115

4.3.2 超级标量流水线115

4.3.3 超长指令字117

4.3.4 展开循环体后调度119

4.3.5 软件流水法122

习题与思考题123

4.3.6 超级流水机举例123

第5章 向量流水与向量处理机126

5.1 向量流水的概念与工作原理126

5.1.1 向量流水的概念与特点126

5.1.2 向量处理机的基本组成127

5.1.3 向量启动时间与结果流出时间128

5.1.4 向量操作长度控制与向量访问步长129

5.2 向量处理与增强向量处理性能的方法130

5.2.1 向量处理方法130

5.2.2 增强向量处理性能的方法132

5.3 向量处理性能的评价参数与评价方法136

5.3.1 机器向量长度与向量流水处理时间136

5.3.2 向量流水操作中处理时间及速率与向量长度的关系138

5.3.3 向量流水处理中与向量长度有关的参数138

5.4 向量化编译技术139

5.5 向量处理机举例140

5.5.1 多向量多处理机CRAY Y-MP 816140

5.5.2 C-90141

习题与思考题142

6.1.1 互连网络的功能与特征144

6.1 互连网络的基本概念144

第6章 互连网络144

6.1.2 互连函数147

6.2 静态互连网络150

6.2.1 静态互连网络结构150

6.2.2 静态互连网络特性153

6.3 动态互连网络154

6.3.1 总线互连方式154

6.3.2 交叉开关互连方式155

6.3.3 多级网络互连方式156

6.4.1 消息寻径方式162

6.4 消息传送与控制162

6.4.2 虚拟通道与死锁164

6.4.3 流控制策略165

习题与思考题167

第7章 并行处理技术与SIMD阵列机169

7.1 并行处理技术169

7.1.1 并行处理的基本概念169

7.1.2 并行性的开发途径170

7.2 SIMD阵列机171

7.2.1 SIMD阵列机的基本结构171

7.2.2 阵列机并行算法173

7.2.3 SIMD阵列机的特点176

7.2.4 并行存储器无冲突访问177

7.3 典型SIMD阵列机举例178

7.3.1 ILLIAC-Ⅳ阵列机178

7.3.2 BSP阵列机181

习题与思考题181

第8章 多处理机183

8.1 多处理机的基本结构与类型183

8.1.1 紧耦合多处理机183

8.1.2 松耦合多处理机185

8.1.3 多处理机中Cache的一致性187

8.2.1 程序并行性分析188

8.2 并行多处理机技术188

8.2.2 并行程序设计语言190

8.2.3 多处理机操作系统192

8.2.4 多处理机调度策略193

8.3 并行多处理机的发展趋势195

8.3.1 大规模并行处理机195

8.3.2 MPP机举例196

8.3.3 共享存储器型多处理机200

8.3.4 并行向量多处理机205

8.3.5 机群206

习题与思考题211

9.1 脉动阵列机212

9.1.1 脉动阵列机的组成原理212

第9章 计算机体系结构的发展212

9.1.2 面向特定算法的脉动阵列机的结构形式214

9.1.3 通用脉动阵列机的结构216

9.2 数据流计算机218

9.2.1 数据驱动原理218

9.2.2 数据流计算机模型219

9.2.3 数据流程序图与数据流语言221

9.2.4 数据流计算机举例224

9.3.1 归约方式228

9.3 归约机228

9.3.2 函数式程序设计语言229

9.3.3 面向函数式程序设计语言的归约机231

9.4 人工智能计算机的研究与发展233

9.4.1 人工智能计算特征234

9.4.2 并行推理机235

9.4.3 数据库机与知识库机236

9.4.4 模糊控制器与人工神经网络241

习题与思考题247

参考文献249